A szilárdtestfizikában a nehéz fermionanyagok, amelyeket gyakran egyszerűen " nehéz fermionoknak " neveznek, az intermetallumok speciális osztálya olyan atomok, amelyek 4 f ( lantanid ) vagy 5 f ( aktinid ) elektronokat tartalmaznak hiányos sávokban, és amelyek következésképpen a lokalizált hordozók. mágneses momentumok . Ezek például a cérium , itterbium vagy urán kationok a amelyek 4f vagy 5f elektronok, érkező részben töltött f pályák , kölcsönhatásba az elektronok a vezetési sáv a intermetallikus, alkotó által hibridizáció. Kvázi-részecskék, amelyeknek a hatékony tömege észrevehetően nagyobb, mint hogy a szabad elektronok. Ezt a jelenséget egy jellegzetes hőmérséklet alatt, konzisztenciának hívják , amelyet T koh-nak jelölünk , és általában 10 K nagyságrendűnek . Ezeknek a fémvegyületeknek a vezető elektronjai akkor viselkednek, mintha effektív tömege akár 1000-szer nagyobb is, mint a szabad elektroné. Ebből származik az ilyen típusú anyagoknak adott nehéz fermionok neve . Ez a nagy effektív tömeg erősen hozzájárul a nehéz fermionok alacsony hőmérsékleten történő ellenállásához az elektron-elektron szóródással , az ilyen anyagok magas Kadowaki-Woods aránya miatt. Ezeket az anyagokat tehát alacsony hőmérsékleti hőteljesítmény jellemzi , amelynek első fokú tagsága akár 1000-szer nagyobb lehet, mint a szabad elektron modelljéből kapott érték .
A súlyos fermionszerű viselkedést számos fázisban figyelték meg, például fémes , szupravezető , szigetelő és mágneses fázisokban . CeCu 6 rendszerek, CeAl 3, CeCu 2 Si 2, YbAl 3, UBe 13és UPt 3 a nehéz fermionanyagok tipikus példái.
A nehéz fermionok az erősen korreláló anyagok (in) részei . Közülük többen válnak szupravezetővé a kritikus T c hőmérséklet alatt ; ebben az esetben szokatlan szupravezetésről van szó.
Magas hőmérsékleten a nehéz fermionok úgy viselkednek, mint a normál fémek, és elektronjaikat Fermi gáznak nevezhetjük , amelyben az elektronokat nem kölcsönhatásban lévő fermionoknak tekintjük . Ebben az esetben a vezető elektronok és az f elektronok közötti kölcsönhatások, amelyek lokalizált mágneses momentumot mutatnak , elhanyagolhatók.
Az elmélet a Fermi folyadék a Landau jó modellt biztosít a leíró tulajdonságait leginkább a nehéz fermionok alacsony hőmérsékleten. Ebben az elméletben az elektronokat kvázirészecskékként írják le, amelyeknek ugyanaz a kvantumszáma és ugyanaz a töltése, de az elektronok közötti kölcsönhatások figyelembevételével kapott effektív tömeggel rendelkezik, ez a tényleges tömeg különbözik a szabad elektronok tömegétől.
A nehéz fermionok energiaszintje spektroszkópikusan tanulmányozható a beeső elektromágneses sugárzás hullámhosszának változtatásával, valamint a minta által visszavert és átvitt intenzitás mérésével.
A jellemző koherencia hőmérséklet felett, amelyet T koh jelölnek , a nehéz fermionok úgy viselkednek, mint a normál fémek , vagyis az elektromágneses hullámokra adott válaszuk reagál Drude modelljére . A jó fémektől azonban különböznek a magas diffúziós sebességtől a magas hőmérsékleten a lokalizált mágneses momentumok nagy sűrűsége miatt - legalább egy f elektron az elemi kristályrácsonként -, amelyek diffúziót okoznak a Kondo-effektus által . Ebből következik, hogy a vezetőképesség alacsony frekvencián és egyenáram esetén meglehetősen alacsony. A vezetőképességi gördülést a relaxációs időnek megfelelő frekvencián figyeljük meg.
A kohéziós hőmérséklet T koh alatt hibridizáció történik a vezető elektronok és a lokalizált f elektronok között, ezért megnő az ezen elektronok effektív tömege. A Kondo (en) szigetelésétől eltérően a nehéz fermionok kémiai potenciálja a vezetési sávban van . Ennek számos következménye van a nehéz fermionok elektromágneses reakciójára.
Az σ vezetőképesség az ω frekvencia függvényében fejezhető ki , ahol m * az effektív tömeg és τ * a renormalizált relaxációs ráta . A tényleges tömeg növekedése a renormalizált relaxációs ráta növekedéséhez vezet, ami szűkebb roll-off-ot eredményez, mint a normál fémeknél nagyon alacsony frekvenciákon. A nehéz, alacsony frekvenciájú fermionban megfigyelt legalacsonyabb relaxációs ráta az UPd 2 Al 3 rendszerben volt. (be) .
A fajlagos hőkapacitása C P a hagyományos fémek alacsony hőmérsékleten egy részét tartalmazza érkező elektronok és jelöljük C P, el , és egy része érkező fonon , jelöljük C P, ph . Az első lineárisan függ a T hőmérséklettől, míg a második a hőmérséklet T 3 kockájától függ :
a β és γ arányossági állandóval, ez utóbbit Sommerfeld-állandónak nevezzük .
Alacsony hőmérsékleten a fajlagos hőkapacitás főleg annak elektronikus frakciójából származik. Ezt meg lehet becsülni a Fermi gáz- közelítés segítségével:
ahol k B a Boltzmann-állandó , n az elektron sűrűsége és ε F a Fermi-szint .
A hőkapacitás és a hőhatásos tömeg kapcsolataA diszperziós négyzet viszonyú elektronok Fermi energiája ε F fordítottan arányos a részecske m tömegével :
ahol k F a Fermi hullámszám , amely az elektron sűrűségétől függ és a legmagasabb energia által elfoglalt energiaszint hullámszámának abszolút értéke. Mivel a Sommerfeld γ konstans fordítottan arányos az ε F-vel , γ arányos a részecske tömegével, és ha γ magas, a fém úgy viselkedik, mint egy szabad elektrongáz anyag , amelyben a vezető elektronok tömegének nagy a hőhatékonysága.